Важнейший тренд современных оптических систем связи – миниатюризация оптических схем. В соответствии с новыми требованиями активно развиваются ультракомпактные источники света. В современных оптических системах связи это, в первую очередь, твердотельные микрочиповые лазеры и полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры. Компактные размеры лазера позволяют также легко добиться работы на единственной продольной моде и небольшого времени отклика благодаря короткой длине резонатора. Однако малая длина резонатора приводит к достаточно низкой выходной мощности, что ограничивает применимость лазера только для передачи оптических данных на короткие расстояния. Простое увеличение уровня накачки приводит к сильному термическому нагреву активной среды, её деградации и ухудшению качества излучения. Наиболее естественный способ обойти это ограничение и увеличить выходную мощность, не отказываясь от всех преимуществ конфигурации с коротким резонатором - это увеличение поперечного сечения лазера. Ценой соответствующей выгоды является ухудшение характеристик излучаемого луча из-за возникающей конкуренции между поперечными пространственными модами, роль которой возрастает по мере роста числа задействованных мод.

В теоретическом секторе СФ ФИАН разработаны эффективные методы теоретического анализа и моделирования динамики оптических полей широкоапертурных лазеров, на основе которых созданы програмные комплексы. Аналитически и численно исследованы структуры, образующиеся в широкоапертурных лазерах различных динамических классов, способы контроля, управления и подавления их образования.

Происхождение сложной пространственно-временной динамики широкоапертурных лазеров динамического класса B в значительной степени обусловлено волновой неустойчивостью, которая приводит к хаотической пространственно-временной динамике лазера, филаментации излучения в поперечном профиле пучка, а также к образованию сложных пространственно-временных структур.

Автоволны, спиральные волны, модулированные стоячие волны, филаменты, формируемые в оптическом поле широкоапертурных лазеров в области параметров волновой и Андронова-Хопфа неустойчивостей

Лазер в режиме свободной генерации может демонстрировать устойчивую динамику лишь в определенном диапазоне значений параметра отстройки. Однако, модуляция параметра накачки в широкоапертурных лазерах, применяемая, в частности, для передачи полезного сигнала в высокоскоростных оптических каналах связи, приводит к неустойчивости Фарадея и возникновению нерегулярных поперечных структур поля, даже если подобрать параметры работающего лазера такими, чтобы в исходной системе не было волновой неустойчивости. Численное моделирование показало, что, например, при резонансе 2:1 реализуются структуры в виде модулированных полос, а при резонансе 1:1 в виде модулированных гексагонов.

Модулированные стоячие волны с полосковыми структурами при резонансе 2:1. Т – период стоячей волны. Указаны также поперечные волновые числа, соответствующие данным паттернам.

Модулированные гексагональные стоячие волны при резонансе 1:1 . Т – период стоячей волны. Указаны также поперечные волновые числа, соответствующие данным паттернам.

Проведенные в теоретическом секторе исследования показывают, что внешняя когерентная инжекция слабого сигнала является эффективной для подавления как волновой неустойчивости, присущей полупроводниковым и твердотельным лазерам, так и Фарадеевской неустойчивости, возникающей в результате модуляции параметра накачки в этих лазерах. Данный подход способен улучшить динамические характеристики и оптическое качество излучения лазера.

a

b

c

d

e

f

Стабилизация излучения широкоапертурных лазеров динамического класса В с помощью внешней оптической инжекции. Временные зависимости интенсивности (слева) и поперечный профиль оптического поля (справа). Значения безразмерного поля инжекции (сверху вниз) 0; 0.01; 0.02.